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Stromversorgung und Kühlung in einem verbinden die neuartigen Flüssigbatterien, die Forscher an der ETH Zürich entwickelt haben.

Bild: ETH Zürich / IBM Research

Multifunktionaler Elektrolyt Flussbatterie versorgt und kühlt Chips in einem

23.03.2017

Mit einer winzigen Flüssigbatterie lassen sich dreidimensionale, gestapelte Chips gleichzeitig mit Strom versorgen und kühlen.

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Forscher der ETH Zürich und von IBM Research haben eine winzige Flussbatterie geschaffen. Bei einer Flussbatterie wird mit einer elektrochemischen Reaktion Strom aus zwei flüssigen Elektrolyten gewonnen. Diese werden von außen über einen Leitungskreislauf in die Batterie-Zelle gepumpt. Mithilfe der neuen Erfindung könnten Computerchip-Stapel, bei denen einzelne Chips platzsparend übereinandergelegt werden, mit Energie versorgt und gleichzeitig gekühlt werden.

Möglich macht das ein multifunktionales Elektrolyt: Die Wissenschaftler verwenden zwei Flüssigkeiten, die sich sowohl als Flussbatterie-Elektrolyte als auch als Kühlmittel eignen. Damit kann über denselben Kreislauf auch überschüssige Wärme vom Chip-Stapel abgeführt werden.

Höchstleistung auf kleinem Raum

Bisherige Flussbatterien sind riesig und vor allem als Großpeicher im Einsatz, etwa im Verbund mit Wind- und Solarkraftwerken, um dort vorübergehend die produzierte Energie zu speichern. Die Batterie von der ETH Zürich hingegen ist gerade mal etwa 1,5 Millimeter dünn.

„Wir sind die ersten Wissenschaftler, die eine so kleine Flussbatterie bauen, um damit Stromversorgung und Kühlung zu kombinieren“, sagt Julian Marschewski, Doktorand in der Forschergruppe.

Außerdem ist die Leistung der neuen Mikrobatterie bezogen auf ihre Größe rekordverdächtig hoch: Pro Quadratzentimeter Batteriefläche beträgt sie 1,4 Watt. Zieht man davon die Leistung ab, welche benötigt wird, um die flüssigen Elektrolyte zur Batterie zu pumpen, resultiert als Nettoleistungsdichte immer noch 1 Watt pro Quadratzentimeter.

Die Kühlung erwies sich in Experimenten ebenfalls als leistungsstark. Die Flussbatterien führen ein Vielfaches der Wärmeenergie ab, als die Batterie elektrische Energie umsetzt und beim Chipbetrieb zu Wärmeenergie umgewandelt wird)

Knackpunkt: Transport der Elektrolyte

Die größte Herausforderung beim Bau der neuen Mikro-Flussbatterie war es laut den Wissenschaftlern, sie so zu konstruieren, dass sie möglichst effizient mit Elektrolyten versorgt wird und die Pumpleistung gleichzeitig möglichst gering gehalten werden kann.

Die elektrochemischen Reaktionen in der Batterie finden in zwei dünnen und porösen Elektroden-Schichten statt, die durch eine Membran getrennt sind. Mittels 3D konstruieren die Forscher ein Polymer-Kanalsystem, um die Elektrolytflüssigkeit möglichst effizient in die poröse Elektrodenschicht zu pressen. Am geeignetsten von mehreren untersuchten Mustern erwies sich dabei eines aus kegelförmig zusammenlaufenden Kanälen.

Bildergalerie

  • Vergrößerte Aufnahme eines 3 x 4 Millimeter großen Ausschnitts: 3D-gedruckte Polymer-Kanalwände.

    Bild: ETH Zürich

  • Die Kanäle sorgen dafür, dass die flüssigen Elektrolyten die porösen Elektroden durchdringen müssen und an ihnen elektrochemisch reagieren.

    Bild: ETH Zürich

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